ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 462, № 4, с. 426-430
ФИЗИЧЕСКАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ХИМИЯ
УДК 541.124:539.19
ЗВУКОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ХЕЛАТНЫХ И КЛАТРАТНЫХ СТРУКТУР В ПОЛЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ © 2015 г. Г. Н. Фадеев, В. С. Болдырев, В. В. Синкевич
Представлено академиком РАН В.В. Луниным 09.10.2014 г. Поступило 04.12.2014 г.
БО1: 10.7868/80869565215160161
Известно [1—4], что низкочастотные колебания оказывают отрицательное воздействие на организм человека. Интервал частот, отрицательно влияющих на различные системы организма, лежит в инфразвуковом диапазоне и начале звукового: от 2 до 35 Гц [2]. Механизм действия таких низкочастотных акустических колебаний на биохимически активные структуры в настоящее время мало изучен. В представленной работе впервые обнаружено изменение состояния хелатных структур в поле действия низкочастотных колебаний на примере комплекса иода с поливинилпирролидоном.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
При проведении экспериментов использовали метод абсорбционной спектроскопии. Проводили анализ изменений оптической плотности водных растворов иокса — хелатного комплекса иода с по-ливинилпирролидоном, вызванных действием низкочастотных акустических колебаний. Интервал воздействующих частот включал инфразвуковой диапазон от 2 до 20 Гц и начало звукового до 50 Гц. Оптическую плотность растворов определяли как до, так и после действия низкочастотных колебаний. Использовали спектрофотометр ПЭ-5400В (Санкт-Петербург). Диапазон измерений — от 335 до 1100 нм. Точность длины волны была равна ±0.5 нм, а оптической плотности ±0.02.
Под действием низкочастотных колебаний хе-латный комплекс необратимо обесцвечивается. Определены оптимальные частоты, при которых эффект воздействия низкочастотных акустических колебаний на иокс максимален. Оптимальные частоты находятся в инфразвуковом диапазоне и равны 10—12 Гц. В экспериментах изучали действие следующих частот: инфразвукового диапазона 10 Гц, частоты на границе между инфра-
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана E-mail: gerfad@mail.ru
звуковым и звуковым диапазонами 20 Гц и частоты начала звукового диапазона 25 Гц.
Экспериментально определенный кинетический порядок звукохимических превращений хе-латного комплекса иокс близок к первому. Константы скоростей звукохимических реакций приведены в табл. 1 для трех указанных выше частот при двух уровнях интенсивности воздействия. В табл. 2 сопоставлены экспериментально определенное значение энергии активации звукохимиче-ского процесса превращения структуры иокса с энергиями активации звукохимических превращений клатратных комплексов из работ [5—7].
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
После исследований [5—8] механизма поглощения энергии низкочастотных колебаний клатрат-ными соединениями появилась необходимость
Таблица 1. Константы скоростей (к • 104 , с-1) дестабилизации иодинола и иокса при различной интенсивности воздействия
Комплекс Интенсив- Частота, Гц
ность, дБ 10 20 25
Иодинол 40 5.66 4.28 2.01
55 7.95 9.33 4.01
Иокс 40 9.78 1.12 0.78
55 11.72 4.73 3.01
Таблица 2. Энергия звукохимических превращений клатратных и хелатных структур в поле низкочастотных воздействий при 10 Гц и интенсивности 40 дБ
Комплекс Амило- Амилопек- Иодинол Иокс
иодин тоиодин
E ± 2, 29-31 38-41 14-16 34-36
кДж/моль
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
К
н
о 0.4
3
0
1
л 1.0
н
с
о
X
« 0.9
с
X
н X 0.8
К
0.7
! ! ! ! ! ! ! (а) 1
__________1 1
\ \ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.6
0.5
0.4
1 1 (б)
• 1........................
(V I К
..... 1т.............: \ I А ........................ Н
V к
1 ;
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
5, 103
см
-1
Рис. 1. Спектр комбинационного рассеяния света клатратного комплекса иодинола.
а — исходный образец, б — после действия акустических колебаний частотой 10 Гц и интенсивностью 55 дБ.
выяснить: являются ли клатраты уникальными образованиями или существуют еще структуры, чувствительные к колебаниям низкой частоты при относительно небольшой интенсивности воздействия. Важно установить, как распределяется энергия подаваемых извне колебаний. Усвоение энергии биохимически активными структурами может осуществляться несколькими способами [8]: — поглощаться высокомолекулярным компонентом комплекса, составляющим значительную часть массы соединения;
— распределяться в какой-то пропорции между компонентами, входящими в состав структур;
— тратиться в основном на изменение состояния низкомолекулярной составляющей биохимически активной структуры.
С целью изучения деталей звукохимических процессов и раскрытия механизмов переноса энергии при звукохимических превращениях были сняты спектры комбинационного рассеяния света (КР) хелатных и клатратных структур. Ис-
800 750
700
650
600
550
500
• 450
д
<и
м 400
н
о
л н
2 900
я «
и
о X
н 800
х К
700
600
500
400
(а)
\..................
L
V М\......................
'1Г ш fjJ
..........................т Г*ттТг.......
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
! ! j ! j ! ! j (б) !
......
% i
j il ...............TNV Чч,
J i i i i i i i i i i i i i
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
5, 103 см
Рис. 2. Спектр комбинационного рассеяния света хелатного комплекса иокса.
а — исходный образец, б — после действия акустических колебаний частотой 10 Гц и интенсивностью 55 дБ.
пользовали зондовыи атомно-силовои микроскоп Ntegra Spectra (Россия) с конфокальной микроскопией и спектроскопией КР (разрешение 0.4 мкм). Для клатратного комплекса — иоди-нола — полученные результаты представлены на рис. 1, а спектр КР хелатной структуры иод-по-ливинилпирролидон — на рис. 2.
Из сравнения спектров до и после низкочастотного воздействия низкочастотных колебаний с оптимальной частотой 10 Гц и интенсивностью звукового давления 55 дБ видны заметные различия, связанные в основном с изменением состояния иода, находящегося в структуре этих соединений. В иодиноле межмолекулярные водород-
0
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 5, 103 см-1
Рис. 3. Спектр комбинационного рассеяния света клатратного комплекса иод-крахмал. а — исходный образец, б — после действия акустических колебаний частотой 10 Гц и интенсивностью 55 дБ.
ные связи построены по типу связей комплексов "гость—хозяин". В комплексе иод—поливинил-пирролидон основой межмолекулярного взаимодействия является донорно-акцепторный механизм. Связи обоих указанных типов позволяют
иоду, по предположению авторов работы [9], образовывать цепочки типа
—1—1—1—1— [10], —I—I-—I—I—I-—I— [11], и даже более длинные вплоть до (!24)2— [12]. При исследовании поликристаллической структуры
комплексов тримезиновой (1,3,5-бензолтрикарбо-новой) кислоты с иодом методами КР- и мёссба-уэровской спектроскопии были обнаружены [13]
кристаллогидраты состава (trimesic acid • H2O)10H+ • I- .
Все указанные выше соединения имеют спиралевидные и частично сшитые структуры, внутри которых расположены организованные в цепочки молекулы иода, меняющие свою конфигурацию или, возможно, разрывающиеся в результате внешнего энергетического воздействия. Главной особенностью изучаемых структур, обусловливающих их чувствительность к низкочастотному воздействию, является отсутствие прочных ковалентных связей между иодом и полимерной частью комплексов.
Спектры КР подтверждают сделанные ранее предположения. Звукохимическая активность исследуемых структур определяется главным образом изменением состояния низкомолекулярной составляющей в структурах как клатратного, так и хелат-ного типа. Это заключение подтверждают и изменения в спектре КР комплекса иод-крахмал (рис. 3).
В соединениях обоих типов — и хелатного, и клатратного — при действии низкочастотных колебаний основную роль играют изменения межмолекулярных связей между низкомолекулярной составляющей (иод) и полимерной частью структур комплексов. Руководствуясь представлениями об "эффекте клетки" Франка—Рабиновича [14, 15], мы считаем, что звукохимическая активность исследуемых структур определяется главным образом изменением состоянием иода в структурах как клатратного, так и хелатного типа.
Результаты представленной работы дают принципиальный ответ на сформулированную выше проблему.
Во-первых, клатратные структуры — не исключения и найдены соединения, по крайней мере, еще одного типа — хелатные, способные воспринимать энергию низкочастотных колебаний и менять свое состояние под их воздействием.
Во-вторых, полученные результаты подтверждают предположение, высказанное нами в [3, 7, 8], о том, что в звукохимических превращениях исследованных соединений основную роль играют изменения межмолекулярных взаимодействий между низкомолекулярной составляющей (иод) и полимерной частью структур биохимически активных комплексов.
На основании представленных результатов может быть сделан следующий главный вывод. Вос-
приятие энергии низкочастотных воздействий возможно при наличии в биохимически активных соединениях структур, склонных к мобильным межмолекулярным изменениям. Именно такая особенность исследованных иодсодержащих комплексов определяет их способность к поглощению энергии налагаемых извне низкочастотных колебаний. Этот вывод открывает принципиальные возможности для создания антидотов [4] против низкочастотного воздействия.
Авторы благодарят В.С. Горелика (ФИАН РАН) за интерес к работе и плодотворное обсуждение результатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Маргулис М.А. Основы звукохимии. М.: Высшая школа, 1984. 272 с.
2. Диментберг Ф.М., Фролов К.В. Вибрация в технике и человек. М.: Знание, 1987. 66 с.
3. Fadeev G.N., Kuznetsov N.N., Beloborodova E.F., Matakova S.A. // Rus. J. Phys. Chem. A. 2010. V. 84. № 13. P. 2254-2258.
4. Fadeev G.N., Boldyrev V.S., Ermolayeva V.I. Biologically Active Clathrates Amiloiodin and Amilope
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.